JP5213345B2

JP5213345B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP5213345B2
Application number: JP2007082467A
Authority: JP
Inventors: 伸彦鉢木
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2027-03-27
Also published as: JP2008243592A

Description

本発明は、燃料電池装置に関し、収納容器内に固体酸化物形燃料電池と着火用ヒータを収納し、起動中に着火用ヒータに通電させ、燃料電池の燃料極に供給され発電反応に用いられなかった余剰の燃料ガスと、燃料電池の酸素極に供給され発電反応に用いられなかった余剰の酸素含有ガスとの混合ガスに着火させ燃焼させる燃料電池装置に関する。

次世代エネルギーとして、近年、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形及び固体酸化物形等の燃料電池が提案されている。特に、固体酸化物形燃料電池は、作動温度が高いが、発電効率が高い、排熱利用が可能である等の利点を有しており、研究開発が推し進められている。

従来、固体酸化物形燃料電池の運転方法として、起動工程中に、改質器にて部分酸化改質する際、水蒸気改質する際には、それぞれの時期に着火用ヒータに通電し、燃料電池の燃料極に供給され発電反応に用いられなかった余剰の燃料ガスと、燃料電池の酸素極に供給され発電反応に用いられなかった余剰の酸素含有ガスとの混合ガスに着火して燃焼させることが行なわれている（特許文献１参照）。
特開２００６−８６０１６号公報

改質器にて部分酸化改質する際、水蒸気改質する際には、改質器から燃料電池に供給されるガス質、ガス量が変化するため、部分酸化改質する際に着火用ヒータに通電して着火し、その後、通電を停止したとしても、水蒸気改質する際には、再度、着火用ヒータに通電して着火することは、着火信頼性を高める上で望ましい。

しかしながら、改質器から燃料電池に供給されるガス質、ガス量が変化するたびに、着火用ヒータへの通電を制御することは、制御が複雑になるという問題があった。

本発明は、着火用ヒータの制御が容易で、かつ着火信頼性の高い燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池装置は、収納容器と、該収納容器内に収納された固体酸化物形燃料電池と、該固体酸化物形燃料電池に燃料ガスを供給すべく原燃料を改質する改質器と、前記収納容器内に収納された着火用ヒータと、該着火用ヒータへの通電を制御する制御部とを具備するとともに、該制御部は、起動工程中に前記着火用ヒータに通電し、前記燃料電池の燃料極に供給され発電反応に用いられなかった余剰の燃料ガスと、前記燃料電池の酸素極に供給され発電反応に用いられなかった余剰の酸素含有ガスとの混合ガスに着火して燃焼させる燃料電池装置であって、起動工程中に、前記改質器において原燃料の部分酸化改質及び水蒸気改質が行われるとともに、前記制御部は、起動工程中において水蒸気改質が開始された後、一定時間経過後に前記着火用ヒータへの通電を停止するまで、継続して前
記着火用ヒータに通電することを特徴とする。

このような燃料電池装置では、起動工程中に継続して着火用ヒータに通電するため、簡単な制御で、かつ、起動工程中における着火信頼性を向上できる。
また、原燃料の部分酸化改質は、例えば、空気と原燃料とを改質器に所定量供給して行われ、また水蒸気改質は、例えば水と原燃料とを改質器に所定量供給して行われ、それぞれの改質で用いられるガス種、ガス量が異なるため、例えば、部分酸化改質時には着火用ヒータにて一旦着火した場合であっても、水蒸気改質時には失火する虞があるが、本発明では、起動工程中継続して着火用ヒータに通電するため、ガス種、ガス量が変化し、失火したとしてもすぐに再着火し、着火信頼性を向上できる。
さらに、水蒸気改質は改質特性が最も良好であるため、起動工程が終了した後の燃料電池の定常運転時には水蒸気改質が行われるのが通常であるため、水蒸気改質以降には、ガス種、ガス量はあまり変化せず、失火することは殆どない。従って、起動工程中において水蒸気改質が開始された後、一定時間経過後に着火用ヒータへの通電を停止することにより、着火用ヒータへの無駄な電力供給を行うことがない。

また、本発明の燃料電池装置は、前記改質器は前記収納容器内に収納されており、前記改質器は燃焼ガスにより加熱されることを特徴とする。このような燃料電池装置では、燃焼ガスにて改質器が加熱され、原燃料の改質が行われるが、上記したように、余剰ガスへの着火信頼性が向上するため、燃焼ガスの発生を容易に制御でき、改質器の加熱制御も容易になり、改質器での改質反応の制御が容易になる。

さらに、本発明の燃料電池装置は、前記一定時間は、水蒸気改質が開始された後、前記混合ガスが自然発火する温度に達するまでの時間とされていることを特徴とする。

本発明で用いられる着火用ヒータは、セラミックヒータであることが望まし。セラミックヒータは１０００℃程度の高温になり着火源として十分機能し、しかも、従来用いられていた点火プラグ等で問題となったようなノイズは発生しないので、周辺機器への影響はなく、燃料電池の着火源として好適に用いることができる。また、着火後、セラミックヒータは高温の燃焼ガス雰囲気に曝されるが、セラミックヒータの外郭は高温雰囲気でも耐食性にすぐれたセラミックスであるため、長時間高温燃焼ガスに曝されても、材料劣化がほとんどなく寿命が長くなり、結果として燃料電池自体の寿命が長くなる。

本発明の燃料電池装置では、起動工程中に継続して着火用ヒータに通電するため、簡単な制御で、かつ、起動工程中における着火信頼性を向上できる。
また、起動工程中において水蒸気改質が開始された後、一定時間経過後に着火用ヒータへの通電を停止するまで、継続して着火用ヒータに通電するため、ガス種、ガス量が変化し、失火したとしてもすぐに再着火し、着火信頼性を向上できるとともに、着火用ヒータへの無駄な電力供給を行うことがない。

以下、本発明の燃料電池装置の一形態について説明する。図１は燃料電池装置の概要を示す概略構成図である。

燃料電池装置は、図１に示すように、収納容器１内に、改質器３及びセルスタック４が収容されて構成されている。セルスタック４は、複数の固体酸化物形燃料電池セル（燃料電池）４ａをガスマニホールド４ｂに立設して構成されている。

収納容器１の改質器３には、ガスポンプ２により外部から都市ガス、プロパンガス等の原燃料が供給可能とされ、また、水ポンプ７により水が供給可能とされ、さらに、空気ポンプ９により、空気等の酸素含有ガスが供給可能とされている。

改質器３は、原燃料、水、酸素含有ガスにより、部分酸化改質、水蒸気改質可能とされ、改質器３にて改質された燃料ガスがセルスタック４の燃料電池セル４ａに供給されるように構成されている。ガスポンプ２、水ポンプ７、空気ポンプ９は、制御部１０で制御可能とされている。尚、図１における破線は、制御装置１０からの主な信号、又は制御部１０への主な信号を示すものである。

また、収納容器１内には、発電用としての空気（酸素含有ガス）が空気ブロワ１１により空気導入管１３を介して供給される。

即ち、燃料電池セル４ａは、内部に燃料ガスが流通するガス通路を有しており、燃料ガスは、マニホールド４ｂ内から燃料電池セル４ａのガス通路を流通して発電反応に用いられ、余剰の燃料ガスがガス通路を介して燃料電池セル４ａの上方（燃焼領域Ｆ）に放出される。一方、空気は空気ブロワ１１により空気導入管１３より収納容器１内に供給され、発電反応に用いられなかった空気は、燃料電池セル４ａの上方へ向かう。

そして、この形態では、燃料電池セル４ａの上方（燃焼領域Ｆ）に放出された余剰の燃料ガス（原燃料の場合もある）が、燃焼用燃料ガスとされている。

つまり、この形態では、セルスタック４の上方に放出される余剰の燃料ガスが燃焼する燃焼領域Ｆ、言い換えれば、セルスタック４上方には、着火手段としての着火用ヒータ１５、燃料ガスの燃焼状態を計測する温度センサ１７が設けられており、燃焼領域Ｆの上方には、改質器３が設けられ、改質器３は、セルスタック４から放出された燃料ガスの燃焼により加熱されるように構成されている。着火用ヒータ１５の発熱を燃焼の着火源とするものであり、着火用セラミックヒータ１５は１０００℃程度の高温になり、着火源として十分機能する。

温度センサ１７としては、１０００℃以上の温度を計測でき応答性も速く安価であるＫ種熱電対を用いることができる。又、温度センサ１７は、着火用ヒータ１５からの輻射熱をできるだけ検出しないように離して配置されている。従って、セルスタック４から吹き出した燃料ガスに着火用ヒータ１５で着火し、燃料ガスを燃焼させて改質器３を昇温させ、原燃料の改質を行う構造としている。燃焼した排ガスは排気管１９より収納容器１外部に放出される。温度センサ１７からの信号は制御部１０に送られ、着火用ヒータ１５への通電は制御部１０で制御可能とされている。

着火用ヒータ１５は、耐久性という観点からセラミックヒータが望ましく、例えば、Ｗ、Ｍｏ等からなる発熱体を、アルミナ、炭化珪素、窒化珪素等のセラミックで被覆して構成されている。

以上のように構成された燃料電池装置の起動方法について、図２に基づいて説明する。先ず、Ｓ１において空気ブロワ１１を起動し収納容器１内に空気を供給する。ここで、着火動作時は空気ブロワ１１による供給量が多いと火炎を吹き消す恐れがある為、流量を少なく（例えば、４０Ｌ／ｍｉｎ）設定しておく。この空気ブロワ１１による空気供給が、燃料電池セル４ａの上方の燃焼領域Ｆに達し、燃料電池セル４ａの火炎を吹き消すおそれがあるため、空気ブロワ１１による空気供給量を減らすことで、燃焼領域Ｆへの空気供給量を減らすことができる。その後、Ｓ２で着火用ヒータ１５に通電し、着火用ヒータ７を予熱する。

この後、Ｓ３でガスポンプ２を駆動し、原燃料を改質器３内に供給し、Ｓ４で空気ポンプ９を駆動し、改質器内に空気を供給する。改質器３内で部分酸化改質が行われ、改質された燃料ガスは、マニホールド４ｂを介して燃料電池セル４ａのガス通路を通過し、発電反応に用いられなかった余剰の燃料ガスが燃焼領域Ｆに放出される。一方、燃料電池セル４ａの周囲には、空気ブロワ１１により供給された空気が存在するため、余剰の燃料ガスに着火用ヒータ１５で着火し、燃焼領域Ｆで燃焼する。温度センサ１１にて温度が検知され、着火用ヒータ１５に通電が開始され、一定温度以上となった場合には着火したと制御部１０にて判断される。

尚、Ｓ３でガスポンプ２を起動すると、原燃料が改質されることなく改質器３を通過し、燃料電池セル４ａの上方に放出されるが、着火用ヒータ１５により着火され、燃焼し、燃焼ガスにより改質器３が加熱され、この後、Ｓ４で空気ポンプ９が起動され、そして改質器３内の触媒が所定温度となると部分酸化改質が開始され、改質器３で改質された燃料ガスが燃料電池セル４ａ内に供給され、発電反応に用いられなかった燃料ガスがセル先端から放出され、燃焼されるようになる。

この後、S５でオートサーマル改質（ＡＴＲ）可能か否か判定する。オートサーマル改質とは、部分酸化改質と水蒸気改質の併用運転であり、部分酸化改質から水蒸気改質に直接変更すると、ガス種、ガス量が急激に変化するため、これを防止するため部分酸化改質と水蒸気改質を併用する改質法であり、オートサーマル改質（ＡＴＲ）可能か否かは、例えば、モジュール温度が２００℃以上であり、かつ改質器内部の温度が６５０℃以上である場合に、可能と判断する。部分酸化改質は発熱反応であるが水蒸気改質は吸熱反応であるため、水蒸気改質に移行してもモジュール温度、改質器温度を維持できるよう、ある一定以上の温度となった場合にオートサーマル改質（ＡＴＲ）可能と判断する。

オートサーマル改質（ＡＴＲ）可能と判断された場合には、Ｓ６で水ポンプ７を駆動し、改質器３に水（水蒸気となる）を供給し、一方で、空気ポンプ９による空気供給量を少なくし、改質器内でオートサーマル改質（ＡＴＲ）を行う。

この後、S７で水蒸気改質可能か否か判定する。水蒸気改質は吸熱反応であるため、水蒸気改質可能か否かは、例えば、モジュール温度が４００℃以上であり、かつ改質器内部の温度が５５０℃以上である場合に、可能と判断する。

水蒸気改質可能と判断された場合には、Ｓ８で空気ポンプ９の駆動を停止し、空気ポンプ９による空気供給を停止する。一方で、水ポンプ７による水供給量を増加し、水蒸気改質を行う。

そして、空気ポンプ９の停止後、一定時間経過後に、着火用ヒータ１５への通電を停止する。一定時間とは、モジュール温度が十分に高くなっており、自然発火する温度とされている。

以上のような燃料電池装置では、制御部１０は、起動工程中に着火用ヒータ１５に通電し、燃料電池セル４ａの燃料極に供給され発電反応に用いられなかった余剰の燃料ガス又は原燃料と、燃料電池セル４ａの酸素極に供給され発電反応に用いられなかった余剰の酸素含有ガスとの混合ガスに着火して燃焼させるが、制御部１０は起動工程中継続して着火用ヒータ１５に通電するため、簡単な制御で、かつ、起動工程中における余剰の燃料ガス又は原燃料と酸素含有ガスとの混合ガスへの着火信頼性を向上できる。

即ち、原燃料の部分酸化改質は、例えば、空気と原燃料とが改質器３に所定量供給されて行われ、また水蒸気改質は、例えば水と原燃料とが改質器に所定量供給されて行われ、それぞれの改質で用いられるガス種、ガス量が異なるため、例えば、部分酸化改質時には着火用ヒータにて一旦着火した場合であっても、オートサーマル改質（ＡＴＲ）段階や、水蒸気改質段階で失火する虞があるが、本発明では、起動工程中継続して着火用ヒータ１５に通電するため、ガス種、ガス量が変化し、失火したとしてもすぐに再着火し、着火信頼性を向上できる。また、起動工程中継続して着火用ヒータ１５に通電するため、不完全燃焼が生じることがなく、ＣＯ濃度を低減できる。

また、制御部１０は、起動工程中において水蒸気改質が開始された後、モジュール温度が十分に高くなり、自然発火する温度となった（一定時間経過）後に、着火用ヒータ１５への通電を停止するため、着火用ヒータ１５への無駄な電力供給を行うことがない。

さらに、着火用ヒータ１５としてセラミックヒータを用いたため、燃料電池の着火源として好適に用いることができ、長時間高温燃焼ガスに曝されても、材料劣化がほとんどなく寿命が長くなり、結果として燃料電池自体の寿命が長くなる。

以上、添付図面を参照して本発明の好適実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能であることは多言するまでもない。

例えば、上記形態では、セルスタックの上方に特定の改質器を備えた燃料電池装置について説明したが、改質器はセルスタックの上方以外に設けた場合でも、本発明を適用することができる。さらに、上記形態では、改質器を収納容器内に収納した燃料電池装置について説明したが、改質器は収納容器の外側に配置されていても良い。

また、上記形態では、燃料電池セル４ａの外面に空気を、内部に燃料ガスを供給する場合について説明したが、本発明は、燃料電池セルの内部に空気を、外部に燃料ガスを供給する場合であっても適用できる。尚、この場合、燃料電池セルの内側には空気極が、外側には燃料極が形成されることは言うまでもない。

本発明の燃料電池装置の好適実施形態を示す断面図である。本発明の燃料電池装置の起動方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１・・・収納容器
２・・・ガスポンプ
３・・・改質器
４・・・セルスタック
４ａ・・・燃料電池セル（燃料電池）
７・・・水ポンプ
９・・・空気ブロワ
１０・・・制御部
１５・・・着火用ヒータ
１７・・・温度センサ
Ｆ・・・燃焼領域

Claims

収納容器と、該収納容器内に収納された固体酸化物形燃料電池と、該固体酸化物形燃料電池に燃料ガスを供給すべく原燃料を改質する改質器と、前記収納容器内に収納された着火用ヒータと、該着火用ヒータへの通電を制御する制御部とを具備するとともに、該制御部は、起動工程中に前記着火用ヒータに通電し、前記燃料電池の燃料極に供給され発電反応に用いられなかった余剰の燃料ガスと、前記燃料電池の酸素極に供給され発電反応に用いられなかった余剰の酸素含有ガスとの混合ガスに着火して燃焼させる燃料電池装置であって、起動工程中に、前記改質器において原燃料の部分酸化改質及び水蒸気改質が行われるとともに、前記制御部は、起動工程中において水蒸気改質が開始された後、一定時間経過後に前記着火用ヒータへの通電を停止するまで、継続して前記着火用ヒータに通電することを特徴とする燃料電池装置。
前記改質器は前記収納容器内に収納されており、前記改質器は燃焼ガスにより加熱されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
前記一定時間は、水蒸気改質が開始された後、前記混合ガスが自然発火する温度に達するまでの時間とされていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池装置。